Nueva batería de litio vacía, aplicación en primer plano más allá de la imaginación

En un nuevo concepto de cátodo de batería, las nanopartículas de compuestos de óxido de litio están incrustadas en una red esponjosa de óxido de cobalto para mantener estable la batería. Al mismo tiempo, el material se puede empaquetar en baterías, similar a las baterías selladas tradicionales, pero puede proporcionar más energía.

En vehículos eléctricos y dispositivos electrónicos portátiles, las baterías de litio-aire tienen un futuro brillante porque pueden proporcionar mayor energía con la misma calidad. Pero las baterías también tienen grandes desventajas: pierden mucha energía inyectada en forma de calor y las baterías se degeneran gradualmente. Además, también requieren componentes adicionales costosos para transportar o producir oxígeno. Es una estructura de batería abierta, que es lo opuesto a las baterías selladas tradicionales.

Pero la batería química se puede utilizar en una batería tradicional completamente sellada. Este nuevo cambio indica que se pueden aplicar propiedades teóricas similares a las baterías de aire de litio mientras se superan todas estas desventajas. La batería de cátodo llamada nanolitia es un nuevo concepto de batería que se publicó en el artículo de la revista NatureEnergy a través de JuLi y ZiZhu postdoctoral y cinco personas en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. JuLi es profesor en la Alianza de Energía de Batalla de Ciencia e Ingeniería Nuclear en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. El Instituto de Tecnología de Massachusetts es del Laboratorio Nacional Argonne y la Universidad de Pekín en China.

Li explicó que una de las desventajas de las baterías de aire de litio es que el voltaje no coincide cuando se trata de baterías cargadas y descargadas. El voltaje de salida de la batería supera los 1,2 voltios, pero el voltaje en este momento es menor que el voltaje utilizado para la carga. Obviamente, hay una pérdida de energía durante cada ciclo de carga. "Usted desperdicia el 30 por ciento de su electricidad en forma de calor cuando la carga y, de hecho, si la carga demasiado rápido, la batería podría quemarse", dijo. "

Las baterías de aire de litio tradicionales absorben oxígeno del aire externo durante el ciclo de descarga para impulsar la reacción química, y el oxígeno se libera nuevamente a la atmósfera durante la reacción inversa del ciclo de carga. En la nueva ronda de carga y descarga, la reacción electroquímica entre el litio y el oxígeno ocurre como de costumbre, pero la reacción en este momento ya no reduce el oxígeno a una forma gaseosa.

En contraste, el oxígeno existe dentro del sólido y se convierte directamente en Redox entre sus tres estados de valencia, mientras se une a tres compuestos sólidos diferentes Li2O, Li2O2 y LiO2 y los mezcla en una taza. Esto reduce la pérdida de voltaje en un quinto, de 1.2 V a 0.42 V, por lo que solo el 8% de la electricidad se calienta. "Para los automóviles, esto significa una carga más rápida, menos emisión de calor de las baterías y una mejor eficiencia energética", dijo Li. "

Este método ayuda a superar otro inconveniente de las baterías de litio y aire: a medida que avanza el proceso de carga y descarga de reacciones electroquímicas, el oxígeno se convierte entre gas y sólidos. En este momento, el material debe sufrir un gran cambio de volumen, perturbando así la ruta conductora en la estructura, lo que a su vez limita severamente su vida útil. La nueva idea es crear partículas a nanoescala que contengan litio y oxígeno en una taza, de modo que quede estrechamente confinada a la red de óxido de cobalto.

Los investigadores definieron estas partículas como nanolitias. De esta forma, LiO2, Li2O2 y Li2O pueden ocurrir dentro de materiales sólidos. Las partículas de nanolitia suelen ser muy inestables, por lo que los investigadores las incrustaron en la red de óxido de cobalto, formando un material esponjoso cuyo diámetro de poro es de solo unos pocos nanómetros. Este modelo es beneficioso para la estabilidad de las partículas y también puede actuar como catalizador para su transformación.

Li explicó: "Las baterías de aire de litio tradicionales son baterías realmente secas porque son difíciles de eliminar el agua y el dióxido de carbono". Por lo tanto, el aire entrante debe limpiarse e inyectarse cuidadosamente en la batería. Necesita muchos sistemas auxiliares para eliminar el dióxido de carbono y la humedad, lo que a menudo es difícil de hacer. Pero la nueva batería no necesita aire externo para evitar este problema. El equipo también señaló que la nueva batería en sí estaría protegida por una sobrecarga, en cuyo caso la reacción química en sí sería limitada. Cuando se sobrecarga, la reacción se transforma en una forma diferente para dificultar más reacciones.

Li dijo: "Para una batería típica, si se sobrecarga, puede causar daños irreversibles o una explosión, pero para una batería de nanolitia, la sobrecargamos durante 15 días a 100 veces su capacidad, y no causará ningún daño". En el experimento circular, una nueva versión de laboratorio de la batería mostró una pérdida de capacidad de menos del 2% a través de 120 ciclos, lo que indica que la batería tiene una larga vida útil. Dado que las celdas de litio-aire se pueden instalar y operar como las tradicionales celdas sólidas de iones de litio, sin ningún componente auxiliar, pueden adaptarse fácilmente a dispositivos existentes o automóviles, dispositivos electrónicos e incluso almacenamiento de energía a escala de red convencional diseñados por baterías.

Los miembros del equipo dijeron: "Dado que estos cátodos de 'oxígeno sólido' son más livianos que los cátodos de baterías de iones de litio tradicionales, el nuevo diseño puede almacenar el doble de energía para un peso de cátodo dado". "Con un mayor desarrollo, la batería eventualmente podrá duplicar su capacidad nuevamente", dijo Li. "Todo no requiere componentes o materiales costosos", dijo Li. Por ejemplo, los electrolitos que utilizan son los carbonatos más baratos. "El óxido de cobalto es menos de un 50 por ciento más pesado que el nanolitio", dijo Li. “En resumen, el nuevo sistema de baterías, que es barato, es muy escalable y más seguro que las baterías de aire de litio”. Creo que sus posibilidades de aplicación serán ilimitadas.

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